Töö kasvas välja praktilisest vajadusest uurida südamelihaserakkudes molekulide liikumiskiirust. "Meid huvitab, kuidas just molekulid liiguvad raku sees ja sealt see meetodi väljatöötamine algaski," selgitas TTÜ küberneetika instituudi süsteemibioloogia labori juhataja Marko Vendelin saates "Labor". Kuigi võimalusi molekulide liikumise uurimiseks oli olemas ka varemgi, selgus nende kasutamisel, et neil on mitmeid piiranguid.

Rakud ja neis sisalduvad molekulid on enamasti läbipaistvad ja palja silmaga nähtamatud. Seetõttu kasutavad teadlased nende uurimiseks enamasti fluorestsentsmikroskoopiat. See tähendab, et rakku viiakse spetsiaalsed helendavad ehk fluorestseeruvad molekulid. "Kui te valgust sinna peale lasete, kiirgavad nad teist värvi valgust tagasi. Tänu sellele saate taustamürast lahti," kirjeldas Vendelin.

Uuritava molekuliga seotud helendav molekul toimib justkui majakana, mis aitab kindlaks teha selle asukohta ja liikumist. Samas tuleb teha seejuures paratamatult järeleandmisi, sest lisatav fluorestseeruv osa võib olla sama suur või isegi suurem kui uuritav molekul ise.

"See asi, mis me juurde paneme, ei ole väike, aga ta annab meile võimaluse uurida," nendib Vendelin. Paratamatult võib see lisaosa mõjutada huvialuse molekuli käitumist ja liikumist, mistõttu tuleb tulemuste analüüsimisel olla hoolikas.

Fluorestsents-korrelatsioonspektroskoopia

Juba 1970. aastatel välja töötatud klassikalisel fluorestsents-korrelatsioonspektroskoopial (FCS) on kaks olulist puudust. Esiteks on see aeglane. Usaldusväärsete andmete kogumiseks on vaja pikka mõõtmisaega, mis võib kesta tunde. "Meil hakkasid rakud ära surema," meenutas Marko Vendelin.

Teine ja antud juhul isegi olulisem probleem seostuski just FCS-i statistilise analüüsiga. "Kõigile neile küsimustele, millele FCS pidi vastama, tegelikult ta vastata ei saanud, sest statistiline analüüs on vale," ütleb Vendelin. Probleem on nii põhimõtteline, et sellele pole viimase 50 aasta jooksul piisavalt tähelepanu pööratud. Vigane statistika võib aga viia ekslike järeldusteni, näiteks võivad teadlased tuvastada rakus kahte tüüpi erineva kiirusega liikuvaid molekule, kuigi tegelikult on seal vaid üks tüüp.

Andmete kogumise kiirusega seotud kitsaskohasele lahendust otsides leidis Vendelin teaduskonverentsil ühe Ameerika labori pakutud idee, mis lubas viis korda kiiremaid mõõtmisi. Meetodi aluseks oli mõte analüüsida otse toorandmeid ehk footonite saabumise aegu, selle asemel et teha eelnevalt statistiline analüüs. Praktikas osutus ameeriklaste lahendus aga äärmiselt aeglaseks ja "kapriisseks". "Doktorant, kes pidi sellega tegelema, hakkas juba mõtlema, et ta jääb enne pensionile, kui need andmed välja analüüsib," muigas Vendelin.

See ajendas Tehnikaülikooli teadlasi ideed edasi arendama. Nad töötasid välja uue matemaatilise lähenemise ja kirjutasid tunduvalt kiiremat analüüsi võimaldava koodi. Selle asemel, et vaadata kogu sekunditepikkust andmerida korraga, tükeldasid nad selle lühemateks faasideks, analüüsides eraldi iga hetke, mil molekul mõõtepunkti sisenes ja sealt lahkus.

Arvutuste kiirendamiseks võttis töörühm eeskuju tehisaru valdkonnas kasutatavatest matemaatilistest operatsioonidest. "Kui ameeriklased näitasid, et on võimalus seda probleemi lahendada, siis meie näitasime, et seda on võimalik praktikas teha," võtab Vendelin töö kokku.

Kõige olulisemaks saavutuseks peab Vendelin meetodi statistilise õigsust. "Läbimurre pole tegelikult isegi mitte see, et me saame kiiremini mõõta, vaid see, et me saame statistiliselt korrektselt andmeid analüüsida. Võime ette ennustada, kas tõesti oli üks molekuli tüüp või kahte tüüpi molekule – saame õigema tulemuse," selgitas professor. See tähendab, et paljud varasemad FCS-meetodiga tehtud uuringud, eriti need, mis väidavad mitut tüüpi molekulide olemasolu, võiks nüüd uue meetodi ja kriitilise pilguga üle vaadata.

Tuleviku meditsiini nimel

Kuigi uue meetodi arendamine on suur samm edasi, pole see süsteemibioloogia labori põhitöö. Labori fookuses on südamelihasrakkude uuringud: kuidas liiguvad nendes molekulid, toimub energiatootmine ja regulatsioon ning kuidas haigused neid protsesse mõjutavad. Huvi südamelihase vastu sai alguse juba Vendelini doktoritööst.

Laboris töötavad kõrvuti nii füüsikud kui ka bioloogid, et uurida kvantitatiivselt südames ja teistes lihastes toimuvaid protsesse. Küsimusele, milliseid ravimeid labori töö tulemusel on välja töötatud, vastas Vendelin, et nende roll on teine. "Meie osa on teha baasuuringuid. Me peame aru saama, millised baasprotsessid üldse toimuvad," rõhutas biofüüsik.

Labor on osa rahvusvahelistest võrgustikest, näiteks MetaHeartist. Selle kaudu liigub info alusuuringutest, mida tehakse näiteks hiirte, rottide ja isegi kalade peal, edasi kliiniliste katsete ettevalmistajate ja läbiviijateni. Silmapaistva katsemudelina kasutab labor forelli südant. "Terve forelli süda on osaliselt nagu haige inimese süda," märkis Vendelin, viidates sarnasustele elektriliste signaalide levikus. See aitab mõista mehhanisme, mis on olulised ka inimese haiguste puhul.

Meetodit kirjeldav uuring ilmus ajakirjas Science Advances.